高效堆焊工艺及应用技术

高效堆焊工艺及应用技术堆焊技术是在零件表面或边缘熔敷耐磨、耐蚀或特殊性能的金属层来制造双金属零件或修复外形不合格的金属旧零件的工艺方法。堆焊技术发展初期主要应用于修复零件的形状尺寸，并涉及将恢复形状尺寸与表面强化及表面改性相结合，全球一体化后堆焊技术的应用领域进一步扩大，堆焊技术从修理业扩展到制造业，90年代药芯焊丝的应用和发展使得一些高合金含量、高硬度的堆焊材料能够制成用途广泛的自动化生产用焊丝，极大地提高了堆焊自动化水平。堆焊可以采用不同的基体，在这些基体上使用不同的堆焊材料使表面达到我们所需要的性能，如耐磨性、耐蚀性、耐热性等等。因此，堆焊工艺在矿山、电站、冶金、车辆、农机等工业部门的零件修复和制造中都有广泛的应用。1．堆焊技术的特点及应用堆焊的物理本质、热过程、冶金过程以及堆焊金属的凝固结晶与相变过程，与一般的焊接方法相比是没有什么区别的。然而，堆焊主要是以获得特定性能的表层、发挥表面层金属性能为目的，所以堆焊工艺应该注意以下特点：(1)．根据技术要求合理地选择堆焊合金类型因为被堆焊的工件的形状各异，金属种类繁多，所以，堆焊前应首先分析零件的工作状况，确定零件的材料和性质。根据具体的情况选择堆焊合金系统。(2)．以降低稀释率为目的，选择堆焊方法零件的基体大多是低碳钢或低合金钢，而表面堆焊层含合金元素较多，为了获得预期的堆焊成分和效果，就必须减小母材向焊缝金属的熔入量，也就是稀释率。(3)．堆焊层与基体金属间应有相近的性能由于通常堆焊层与基体的化学成分差别很大，为防止堆焊层与基体间在堆焊、焊后热处理及使用过程中产生较大的热应力与组织应力，常要求堆焊层与基体的热膨胀系数和相变温度最好接近，否则容易造成堆焊层开裂及剥离。(4)．材料堆焊必须根据具体情况正确进行选择。(5)．提高生产率由于堆焊零件的数量繁多、堆焊金属量大，所以应该研发和应用生产率较高的堆焊工艺。总之，只有全面考虑上述特点，才能在工程实践中正确选择堆焊合金系统与堆焊工艺，获得符合技术要求的经济性好的表面堆焊层。2、常用的堆焊方法常用的焊接方法有：熔焊、钎焊、喷涂等，这些方法都可以在堆焊中使用。其中，熔焊方法所占的比重最大，选择应用怎样的堆焊方法，应考虑以下几个方面的问题：（1）堆焊层的性能和质量要求；（2）堆焊件的结构特点；（3）堆焊的经济性。随着科学技术的进步和生产的需要，常规的焊接方法往往不能满足堆焊工艺的要求，因此又出现了许多新的堆焊工艺方法。表1列出了几种堆焊工艺的主要特点。表1常用堆焊方法特点比较堆焊方法稀释率%/%熔敷速度kg/h/（kg/h）最小堆焊厚度mm焊材利用率%/%氧-乙炔焰堆焊手工送丝1～100.5～1.80.8100自动送丝1～100.5～6.80.8100热丝TIG堆焊5～153.0～3.51.398～100CMT堆焊2～65.5～7.81.598～100焊条电弧焊堆焊10～200.5～5.43.265钨极氩弧焊堆焊10～200.5～4.52.498～100埋弧堆焊单丝30～604.5～11.33.295串联电弧10～2511.3～15.94.895单带极10～2012～363.095注:表中稀释率为单层堆焊结果。下面针对表1具体介绍并分析几种常见的堆焊方法及其特点。2.1氧—乙炔焰堆焊氧—乙炔焰用途较广，由于它的火焰温度较低（3100℃左右），而且可以调整火焰的能率，可以得到低的稀释率（1%～10%）和薄的堆焊层，一般采用碳化焰焊接，乙炔的用量和堆焊金属有关。该焊接方法有设备简单、操作灵活成本较低等优点，所以得到广泛使用。但也有如劳动强度大、生产率低等缺点[1]。所以该焊接方法主要用于小零件的制造和修复工作，如油井钻头牙轮、蒸汽阀门、内燃机阀门及农机具零件的堆焊。氧—乙炔焰除了用于堆焊外，还应用到喷涂、喷熔等工艺中。2.2焊条电弧堆焊用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法，称为焊条电弧堆焊。其焊接回路由弧焊电源、电缆、焊钳、焊条、电弧和焊件组成。这种焊接方法的生产率较低，工件温度梯度大，且稀释率高，不容易获得薄且均匀的堆焊层，通常要堆焊2～3层，但是堆焊层太多会导致开裂。焊条电弧焊堆焊焊条所需电源及其极性取决于焊条涂层的类型。一般使用直流反接，石墨型的药皮适合用直流正接，还可以使用交流。焊接前一般酸性焊条需要150℃烘培0.5～1.0h，碱性焊条需在250～350℃烘培1～2h，焊接材料为了防止焊接裂纹，在焊前可以采用预热处理，预热温度可通过碳当量来计算，焊后采用缓冷，焊接时可采用焊条前倾的方法避免焊接缺陷的产生。2.3钨极氩弧堆焊这是一种常用的非熔化极堆焊方法，这种方法的生产效率较低，但是能够获得质量高的堆焊层金属，除此，还有稀释率低，变形小，电弧稳定，飞溅小，堆焊层容易控制等优点。适合于质量要求高、形状复杂的小零件上。焊接时可以有丝状、管状、铸棒状和粉末状的焊接材料，通常采用直流正接，可通过摆动焊枪和小电流的方法得到小的稀释率。2.4埋弧堆焊埋弧堆焊的实质和一般的埋弧焊没有区别，它有生产效率高，劳动条件好，能获得成分均匀的堆焊层等优点，常用于轧辊、曲轴、化工容器和核反应堆压力容器衬里等大、中型零部件。普通单丝埋弧焊是常用的堆焊方法。常用于堆焊面积小的场合，它的缺点是熔深大、稀释率高。因此，可以采用焊丝摆动法，加宽焊道，减小稀释率，也可通过加入填充焊丝的方法，减小稀释率并提高了熔敷率；除此，为了减少熔深，也采用下坡焊、增大伸出长度、焊丝前倾和减小焊道间距等措施。提高电流可以增加熔敷速度，但也必须导致熔深大大增加，所以不能采用。3．热丝TIG堆焊工艺和CMT堆焊工艺的特点及应用3.1热丝TIG堆焊热丝TIG焊是在传统的TIG焊接基础上，采用预热焊丝进行焊接一种工艺。系统包含TIG焊电源、热丝电源、焊枪和系统控制器。TIG焊电弧熔化母材，送丝系统连续送丝到熔池中。与普通TIG焊不同之处，焊丝在送进熔池前，单独的热丝电源加热焊丝干伸长部份（送丝咀和熔池之间的焊丝），通过焊丝伸出部份电阻效应，产生热量（热量的产生公式是l²xR=焦耳），提高熔敷效率。热丝TIG焊具体接法是，TIG焊枪和焊丝加热端接负极，工件接正极。热丝TIG焊采用脉冲电弧（减少热输入量和电弧偏吹），脉冲协同送丝。对焊枪倾角和送丝有非常严格要求，填充焊丝必需始终伸入熔池。热丝电源工作电压1.5-5V，（过高的电压会产生新的电弧，干扰焊接电弧的稳定），热丝电流75-150A，焊丝加热长度为10-25mm。热丝TIG焊可通过焊接电流、热丝电流、送丝速度的协同控制提高熔敷效率和焊接速度，减少焊缝稀释率。当焊接参数恒定情况下，提高热丝电流和送丝速度，则熔池的温度会降低，以熔敷效率2-3.5kg/h为例，大约可以减少50%稀释，焊接速度提高一倍(约40cm/min)。同普通的TIG焊相比：（1）.熔敷率：冷丝TIG由于技术原因，其熔敷率极限值只能达到1.5-2kG/h，而热丝TIG焊可以达到3-3.5kG（2）.焊缝稀释率：稀释率降低达60%，提升了耐腐蚀性能（3）.焊接速度：两倍以上的焊接速度（4）.堆焊面积：同等电流和焊接速度情况下提高了30%～50%堆焊面积或厚度热丝TIG堆焊工艺与普通的TIG焊工艺相比堆焊质量更好、效率更高。3.2CMT冷金属过渡堆焊工艺CMT技术第一次将送丝与焊接过程控制直接地联系起来。当数字化的过程控制监测到一个短路信号，就会反馈给送丝机，送丝机作出回应回抽焊丝，从而使得焊丝与熔滴分离。在全数字化的控制下，这种过渡方式完全区别于传统的熔滴过渡方式。CMT技术实现了无电流状态下的熔滴过渡。当短路电流产生，焊丝即停止前进并自动地回抽。在这种方式中，电弧自身输入热量的过程很短，短路发生，电弧即熄灭，热输入量迅速地减少。整个焊接过程即在冷热交替中循环往复。在短路状态下焊丝的回抽运动帮助焊丝与熔滴分离。通过对短路的控制，保证短路电流很小，从而使得熔滴过渡无飞溅。在整个系CMT统中有两个独立的送丝系统：前一个是带拉丝机构的CMT焊枪,它以90次/秒的频率向前或向后送丝，后一个是VR7000CMT送丝系统，将焊丝从焊丝盘中抽出。两个送丝系统都实现了数字化地控制。CMTRobacta送丝系统无传动装置，它利用了高效的动力学前后交替转动的马达进行送丝，该装置确保了精确的送丝和恒定的接触压力。同时系统在两个送丝机构之间配备了一个焊丝缓冲器，为焊丝在两个送丝系统之间提供了一个缓冲空间，削弱了两个送丝系统对焊丝的冲击力。这种焊接过程无飞溅且热输入量超低的电弧过渡方式与堆焊工艺对电弧的要求不谋而合，且还具备超高的熔敷效率；CMT的单层堆焊稀释率可达到4%以下，双层稀释率甚至能够达到0.6%，而常规的气保焊这两项数据基本上只能勉强达到10%及2%左右。相对于传统的MIG/MAG、手工电焊条、冷丝氩弧焊等堆焊工艺，热丝TIG及CMT工艺（甚至双丝CMT工艺）以其独特的工艺特点及高效优势在堆焊领域将占据越来越大的比重。堆焊技术历经了60多年的发展历史，其应用遍及零件制造和修复等基础工业的众多领域中。堆焊技术是表面工程中一个很重要的分支，它是将具有一定使用性能的合金材料借助一定的热源手段熔敷在母体材料的表面，以赋予母材特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺方法。因为它是在普通材质的基础上制备出需要的耐磨、耐热以及耐腐蚀等特种性能的堆焊层的，所以在节约能源、节省材料、环境保护等方面展示了巨大的经济效益。